Квантові технології – як фізика надмалих частинок прийде в наше життя

Купальна шапочка, яка може стежити за окремими нейронами, дозволяючи іншим контролювати стан свідомості того, на кого цю шапочку надягнут.
Датчик, який може виявити приховані атомні підводні човни. Комп’ютер, який може відкрити нові ліки, революціонізувати торгівлю цінними паперами і розробляти нові матеріали. Глобальна мережа каналів зв’язку, чия безпека гарантована непорушними законами фізики. Це і багато іншого обіцяє нам впровадження квантової технології, пише The Economist.
Весь цей потенціал виник через поліпшення здатності вчених ловити, знаходити і використовувати окремі атоми і частки світла, які називають фотонами. Сьогоднішні комп’ютерні чіпи стають дешевшими і все швидше, а квантова механіка стверджує, що при достатньо малих масштабах частинки здатні проникати в тверде тіло і викликати коротке замикання всередині чіпів, які лежать в основі процесорів. Квантові технології підходять до цієї проблеми з іншого боку. Замість скорочення масштабів розвитку для пристроїв квантові технології використовують незвичайна поведінка окремих атомів і частинок — і масштабують такі розробки. Як і комп’ютеризація перед тим, це відкриває цілий світ можливостей для майже кожної існуючої галузі — і потенціал, щоб «запалити» вогонь відкриттів в абсолютно нових сферах.
Квантова механіка
Квантова механіка — теорія поведінки на атомному рівні, складена на початку ХХ століття, — має заслужену репутацію чогось незрозумілого. Так сталося, тому що світ, як його бачить людство — насправді не такий, як ми його звикли сприймати. Квантова механіка замінила багатовікове поняття годинникового механізму, детермінованого Всесвіту з реальністю, яка має справу з можливостями, а не фактами — на ту, де сам акт вимірювання впливає на те, що вимірюється. Поряд з цим переворотом прийшли кілька дійсно карколомних тез, які важко сприйняти розумом традиційної людини: такі, як той факт, що частинки є фундаментально ні тут, ні там, вони знаходяться в «суперпозиції». Теорія також припустила, що частинки можуть бути пов’язані між собою: зробите щось одне, — і зміна відчувається миттєво іншим, навіть через великі відстані в космосі. Це заплутує навіть тих, хто розробив саму теорію квантової фізики.
Саме ці складові теорії обіцяють велике майбутнє квантових технологій. Винаходи, які експлуатують суперпозицію і взаємну «перепутанность» зв’язків у світі, можуть значно перевершити вже існуючі технології, досягти того, що раніше вважалося неможливим.
Поліпшення атомних годин шляхом включення постулатів квантової фізики, наприклад, робить їх більш точними, ніж ті, які використовуються сьогодні для супутникового позиціонування. Це може поліпшити навігаційну точність на кілька порядків, що зробить автономні автомобілі безпечними і надійними. Оскільки сила локального гравітаційного поля впливає на потік часу (відповідно до загальної теорії відносності), такі годинники також допоможуть виміряти крихітні зміни в гравітації. Це може бути використано, щоб визначити розташування підземних комунікацій без необхідності розкопувати дорогу, — або відслідковувати підводні човни противника на значній глибині.
Інші аспекти квантової теорії дозволяють передачу повідомлень без побоювань з приводу прослуховування. Сигнали, закодовані з використанням накладених одна на одну або заплутаних часток, не можуть бути перехоплені, дубльовані або передані на інший «піратський» передавач. Така технологія має очевидний запит з боку компаній і урядів у всьому світі. Китай вже запустив супутник, який може приймати і передавати такі сигнали; наступним кроком може стати глобальна мережа, доступ до якої не можна зламати.
Квантові комп’ютери
Вигода від використання непарних квантових ефектів досягає свого максимуму в квантових комп’ютерах. Замість двох іпостасях стандартних обчислень, біти квантового комп’ютера знаходяться в суперпозиції і взаємодіють одночасно і «перепутанно». Використовуючи алгоритми, такі комп’ютери будуть обробляти завдання з такою швидкістю й у таких обсягах, на які в сучасних суперкомп’ютерів підуть тисячоліття. Зараз розробляються навіть квантові мережі підвищеної безпеки — бо занепокоєння викликає те, що квантові комп’ютери будуть в кінцевому рахунку «крутіше» існуючих «застарілі» криптографічних методів, які засновані на жорстких математичних завданнях і зв’язках.
Ще немало часу пройде, поки все це відбудеться, тим не менш, невеликі квантові комп’ютери будуть робити все більший внесок у різні галузі — від енергетики і логістики до розробки лікарських препаратів і сфери фінансів. Навіть прості квантові комп’ютери повинні бути в змозі вирішувати класи завдань, які ставлять в безвихідь звичайні сучасні комп’ютери — до них відносяться оптимізація торгових стратегій або вибір перспективних медичних препаратів з наукової літератури. Google нещодавно заявила, що такі новітні комп’ютери з’являться в комерційній експлуатації вже через 5 років. На початку березня 2017 року IBM, яка вже працює над загальнодоступним базовим квантовим комп’ютером, оголосила про плани розширення проекту. З’явиться попит на програмне забезпечення, на нові стартапи і навіть на посередників для випуску комплектуючих під квантові системи — а там підтягнуться і галузі, де такі новітні комп’ютери будуть корисними.
Ця ситуація має багато спільного із станом інтернету на початку 1990-х років: тоді все робилося в основному в лабораторних умовах на основі експериментів, які займали вчених протягом багатьох десятиліть, але в яких промисловість і держава почали бачити більш широкий потенціал. Компанії з ринку «блакитних фішок» захопилися цією технологією, розвивали її своїми дослідницькими зусиллями. Стартапи множаться. Уряди вкладають кошти в такі технології зі стратегічною метою, заплативши за дослідження ринку протягом багатьох років — і це нагадування, що є деякі товари і послуги, які можна замовляти виключно на основі ринкового попиту.
На щастя для квантових технологів, проблеми їх сфери, що залишаються — в основному інженерні, а не наукові. І сьогоднішні квантові розробки — це тільки початок. Що найбільш захоплююче в квантової технології — то це її ще нереалізований потенціал. Експерти будь трансформаційної технології мають нечітке бачення того, як багато застосувань знайде нова розробка; Томас Едісон думав, що сила його фонографа — у використанні під час уроків красномовства. Протягом більшої частини ХХ століття квантові технології в суспільній свідомості просто означали «щось дивне». У ХХІ столітті квантові технології будуть означати «що-то краще існуючого».